JP4986988B2 - 誘導位置センサーのための信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、乗物のアクセルペダルのような枢動部品の回転位置といった可動部品の位置の測定のための非接触誘導センサーのような誘導センサーのための信号処理システムに関係する。

位置センサーは、様々な用途において広く使用されている。例えば、自動車のような原動機付き乗物には、エンジン・スピードを制御するためのユーザが操作する制御装置が備えられている。典型的には、ユーザが操作する制御装置は、一般にアクセルペダルと呼ばれるフットペダルをペダルアームの下端に有するものである。アクセルペダルはスロットル制御信号を提供し、該スロットル制御信号は、アクセルペダルから、エンジンに組み合わされたエンジン・スロットル制御装置に伝達される。従来、アクセルペダルとエンジン・スロットル制御装置の間は機械的に接続されており、スロットル制御信号は機械的な信号である。しかしながら、最近の傾向は、フライ・バイ・ワイヤー（ワイヤ経由型）システムと呼ばれることがある、電子制御スロットル制御システムに向けられており、このシステムでは、アクセルペダルその他のユーザにより操作される制御装置がエンジン・スロットルと電子的に通信し、スロットル制御信号は電子信号である。本用途及び他の用途において、任意のセンサーシステムの出力信号は、特定の仕様を満たすことが期待されることが多い。従って、信号処理装置は、誘導位置センサーのような位置センサーから信号を受け入れ、所望の特性を有する出力信号を提供することが要求される。

誘導位置センサーは、電磁搬送束を生成するために交流電源により電力が供給される送信コイルを含む。受信コイルは、搬送束を受け取り、受信機信号を生成する。受信機信号は、送信コイル及び受信コイルに平行に且つ近接して支持されるカプラー要素（回転子のような）の位置で変化する。カプラー要素は、その位置測定が行われる部品と共に動く。

本発明の好ましい実施形態において、誘導位置センサーは、搬送束によって参照信号を生成するが、測定が行われるカプラー要素の位置により影響を受けないように巻かれる参照コイルである第３コイルを含む。回転センサーについて、参照信号は、カプラー要素の角度位置により実質的に影響を受けないが、カプラーと参照コイルとの間のギャップ間隔に関して変動する。この変動は、ギャップのような組立パラメータにおける変動について出力信号を補償するのに有用である。カプラー要素がない場合に、コイルの様々な位置に関する誘導電圧が相殺し、参照信号がゼロに近くなるように、参照コイルが差動構造を有することが好ましい。特定の場合において、参照信号は、コイルとカプラー要素との間のギャップの変動をより良好に補償するために、カプラーが取り除かれる場合に、必ずしもゼロである必要はない。受信コイルは又、カプラー要素がない場合に受信機信号がないように、差動構造を有することができる。しかしながら、カプラー要素が存在する場合には、受信機信号は、カプラー要素の位置に対して、非常に感応的である。

誘導位置センサーの信号処理装置は、予め記憶された値を出力信号に加えて要求される仕様に一致させるためのアナログ除算段及び回路を含む。比較回路は、記憶された上限及び下限プラトー値を伴う出力信号を比較し、出力信号がプラトー値の間である場合には出力信号を出力し、信号がこれらの値に達する場合には、上限及び下限プラトー値を出力する。

誘導結合位置センサーのような、位置範囲にわたり可動部品の部品位置に関連づけられる出力信号を提供するための装置は、励磁信号により励磁された時に電磁放射を生成する送信コイルと、前記送信コイルと受信コイルとの間の誘導結合のために前記送信コイルが励磁された時に、前記部品位置に関係づけられる受信機信号を生成する、前記送信コイルに近接して配置される受信コイルとを含む。参照信号が、部品位置と実質的に独立な参照信号を提供することが好ましい。受信機信号及び参照信号は、受信機信号及び参照信号から比率信号を生成するためのアナログ除算器を含む信号処理装置を通される。出力信号は、前記比率信号から得られ、位置範囲にわたる部品位置に実質的に線形に従属する。プラトー（すなわちクランプ）電圧及び更にゲイン曲線（信号曲線の傾斜対位置（角度又は距離））は、トリマブル抵抗器により設定されることができる。

部品位置は、自動推進乗物の電子スロットルアセンブリにおける使用のためのペダルアセンブリの枢軸角度のような、回転角度とすることができる。カプラー要素は、送信コイルと受信コイルとの間の誘導結合を修正するために使用される。信号処理装置は、出力信号が下限プラトー電圧及び上限プラトー電圧を有するために、電圧クランプを更に含む。信号処理装置は、例えばツェナーアレイのような、較正調整を記憶するための不揮発性（長期）記憶装置を含むロジック回路を更に含むことができる。較正調整は、出力信号に加えられる電圧調整とすることができる。電圧調整は、不揮発性記憶装置に記憶され、不揮発性記憶装置と通信する仮想接地レベル調整器が使用され、出力信号を調整することができる。受信コイル、参照コイル、送信コイル及び信号処理装置は、単一のプリント回路板上に形成される。

本出願は、２００５年４月８日に出願された米国仮特許出願第６０／６６９，４７８号の優先権を主張する。

本発明の実施形態による信号処理装置は、受信機信号及び参照信号を受け取り、それらを使用して測定される部品の位置に比例する線形出力信号を提供する。電子スロットルのような自動車への適用において、出力は、乗物の標準設定に一致するように調整することができ、カプラー要素とコイルアッセンブリーとの間のギャップの製造変動又は他の共通モード信号によって実質的に影響を受けない。信号処理装置は、コストが低く、動作の信頼性が高く、高価な構成部品を使用することを避けるために、可能な限り簡素であることが望ましい。

信号処理装置は、送信コイルの励磁源、例えば、送信コイルが誘導構成要素となるコルピッツ発振器を含むことが好ましい。信号処理装置は、少なくとも１つの受信機信号及び参照信号を受け取り、各々の信号を増幅する。信号の各々は、信号検出を容易にするために励磁電圧が乗ぜられることができる。次いで、乗ぜられたものの各々の出力は、ローパスフィルタリングされ、次いで２つの出力が除せられ、参照コイルにより検出された共通モード変動について受信コイルの出力を効果的に修正する。

参照信号は、カプラー要素とコイルアッセンブリーとの間のギャップの変動のような共通モードについて受信機信号を修正するために使用される。送信コイル、受信コイル及び参照コイルは、プリント回路板のような共通の基板上のコイルアッセンブリーとして、すべて一所に支持されることができる。次いで、回路板は、その位置判定が行われる部品に機械的に結合されているカプラー要素に近接して配置される。コイルアッセンブリーとカプラー要素との間の離隔距離は、製造中に不可避的に変動し、この離隔距離は、差動構造を有する参照コイルを使用して容易に修正することができる。参照コイルは又、漂遊誘導電圧（ｓｔｒａｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）、温度及び送信機電力変動のような共通モード信号を修正するために使用することができる。

回転位置センサーにおいて、受信コイルは、受信機信号がカプラー要素の回転位置に関して変化するので、回転変調機と代わりに呼ぶことができる。参照コイルは、差動構造を有している場合には、コイルアッセンブリーとカプラー要素の軸方向の離間距離に関して変化するが、カプラー要素の回転位置に関しては変化しないので、軸変調機と呼ぶことができる。送信コイルは、代わりに励磁コイルと呼ぶことができる。

好ましい実施形態において、受信コイル及び参照コイルの出力はその両方が、参照信号が乗ぜられることによって整流（増幅後に検波）されるか、又はこれに代えて、例えばコルピッツ発振器からの励磁信号を使用して整流される。検波された出力はその各々が、ローパスフィルタを通され、次いでアナログ除算器に供給される。除算器は、搬送信号を回転変調機に効果的に結合させる回転子と他のコイルを収容する基板に平行関係に且つ近接して支持される軸変調機との間のギャップの変動について、回転変調機信号を本質的に修正する。製造工程において必然的に発生する、回転子とコイルとの間のギャップの変動は、ランダムに誘導される信号、供給電源電圧の変動等のような共通モード変動についてのように、アナログ除算器によって正常化される。

次いで、アナログ電圧は、レシオメトリック信号に加えられ、センサー出力信号をシフトし、例えば、電子スロットルセンサーの場合における他の自動推進乗物の電子機器により要求される所望の信号仕様に一致させることができる。このアナログ電圧は、初期較正プロセス中に生成され、ツェナーダイオードアレイ（スタティックＲＡＭとして動作する）又は通常のスタティックＲＡＭにおいてデジタル形式で記憶され、元の信号に加えるためにアナログ形式に変換することができる。次いで、出力は、記憶された電圧調整を使用して差動増幅によって調整される。次いで、信号は、上限及び下限プラトー値の記憶値と信号を比較することにより、信号の上限及び下限をクランプする電圧クランプに提供される。

従って、出力電圧の範囲は、上限及び下限プラトー値にクランプすることができる。トリム抵抗器を使用して、所望の値にゲイン傾斜を調整するために、トリムを使用することができる。例えば炭素ストリップを焼き切る抵抗器のレーザトリミングを使用することができ、又は適用によっては又、伝統的な回転摺動子可変抵抗器を使用することができる。自動推進乗物の電子スロットル制御への適用において、このトリムステップは、工場での調整中に一度行われることができる。レシオメトリックセンシングが使用される場合には、これは非常に効果的であることができる。

較正プロセスの１つの例は、初期信号電圧を検出し、それをアナログ・デジタル変換器を使用してデジタル形式に変換し、上限及び下限プラトー電圧に変換し、次いでツェナーダイオードアレイ（スタティックＲＡＭとして動作する）又は通常のスタティックＲＡＭに記憶することを含む。次いで、回路は、下限プラトーと初期信号電圧の差をロジックサポート回路を使用して比較し、スタティックＲＡＭにその値を記憶する。通常の動作中、比較器のペアからなるマルチプレクサは、生の信号電圧を検出し、それを上限及び下限プラトーと比較し、出力信号は、生の信号、生の信号が上限プラトーを超える限りにおいて上限プラトー、生の信号が下限プラトーを下回る限りにおいて下限プラトー、のいずれかからなる。従って、出力信号は、上限及び下限プラトー値の間にクランプされる。トリマブル抵抗器が、出力ゲインを制御し、上限及び下限プラトー値を規定するために設けられることができる。

従って、本発明による信号処理装置は、従来のシステムに用いられるマイクロプロセッサの種類を使用する必要性を回避する。例えば、従来の電子スロットル用途において、マイクロプロセッサは、生の信号をエンジンシステムに適合する信号に変換するために使用される。マイクロプロセッサは、費用、複雑さ及びそれに関連する故障モード、並びに処理遅延を付け加える。しかしながら、本発明の実施形態においては、低コストのアナログ・デジタル変換器（８ビット以下のような低分解能）及び不揮発性メモリ（いくつかの実施例においては数バイト以下が必要である、スタティックＲＡＭのような）が使用される。

信号処理装置は、プロセッサ、ＲＡＭ、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、又は温度補償回路の必要なく、ＡＳＩＣチップで実現することができる。例えば従来の子処理装置は、ルックアップテーブルを使用して温度変動の修正を試みることができる。しかしながら、これは複雑で誤りがちである。更に、従来のシステムは、いかにうまく初期較正を行ったとしても、機械的摩耗のための幾何学的変化を補償する（ａｃｃｏｕｎｔ ｆｏｒ）ことができない。例えば、枢軸のゆるみは、従来の誘導センサーの電子スロットルへの適用にとって重大な問題である。しかしながら、本発明によるシステムは、枢軸のゆるみのような幾何学的変化を自動的に補償する。電子スロットルへの適用について、−４０℃乃至８０℃にわたる範囲の温度、１ｍｍを超えるギャップ（コイルアッセンブリーとカプラー要素との間の）の変動、及び１ｍｍを超える枢軸ドロップ（ｄｒｏｐ）変動に対して、卓越した信号再現性が得られた。いくつかの適用に対して、多数の独立のコイル及び／又は関連する信号処理装置が、冗長性及び安全な動作のために設けられることができる。

図１は、発振器１０、送信コイル１２、カプラー要素１４（詳細は図示されていない）、受信コイル１６、及び参照コイル１８を含むセンサーシステムのブロック図を示す。回転センサーに対して、受信コイルは、カプラー要素の角度位置に感応する受信機信号を提供する。参照コイルは、カプラー要素の角度位置によって実質的に影響を受けない参照信号を提供する。受信機信号及び参照信号は、第１及び第２増幅器（それぞれ２０及び２２）によって増幅され、次いで、受信機信号は、アナログ除算器２４において、参照信号で除せられる。出力２６はアナログ信号である。信号処理装置は、２つの信号（受信機信号及び参照信号）を受け取り、それらを除して比率（又はレシオメトリック）信号を得る。次いで、この比率信号は、供給電圧で乗ぜられ、供給電圧と独立な出力信号を得る。受信機信号は、コイル構成により決定される特定の角度範囲にわたりカプラー要素の角度に比例する一方、参照信号は、カプラー要素の動きの角度にわたり実質的に一定である。しかしながら、両方の信号は、電磁気的干渉（ＥＭＩ）、温度のような共通モードの影響、及び（構成によっては）カプラー要素とコイルアッセンブリーとの間のギャップ機械的許容範囲に、共通に感応する。比率信号を得るアナログ回路による信号処理は、アナログ・デジタル変換を又必要とするデジタル処理の遅延を回避する。

好ましい実施形態において、受信コイル及び参照コイルは、送信コイルと共に同じ基板上にプリント回路技術によって形成される。送信コイルは、交流電流によって励磁され、例えば、信号処理装置の一部として形成されることができる、正弦波電圧を発生するコルピッツ発振器回路を一部形成することができる。

誘導センサーは、静電場又は静磁場に対しては良好なノイズ耐性を有するが、一般に、ビート現象に対しては脆弱であると考えられている。ビートは、例えば送信機とセンサー発振器回路との間で、ほぼ同じ周波数間において発生し、和及び差の周波数が生じる。低周波の周波数差は除去することが比較的難しい。１つの手法は、ホイヘンスの時計現象又はロックイン同期として知られる適応メカニズムである、２つの発振器の同じ周波数を達成する自然傾向を利用することである。しかしながら、共振周波数の適用は、低いＱの共振器を必要とする。ビートは、受信コイル及び参照コイルの両方に対する共通モード信号であり、本発明のレシオメトリック手法により、受信コイル及び参照コイルにおけるあらゆる共通周波数要素を除去することができる。従って、発振器のＱについて上限はなく、効率が増し、低ノイズのシステム動作がもたらされる。Ｑは、従来のシステムの約２０に対して、約３０以上とすることができる。

信号処理装置は、低ノイズである。アナログ処理のみが使用され、デジタル処理に比べてＥＭＣを著しく現象することができる。誘導センサーには、任意の適切な放射耐性試験の範囲内の周波数で共振する、少なくとも１つの受動並列共振器を設けることができる。センシングコイルの一例は、放射耐性試験の１５０Ｋ乃至１ＧＨｚの掃引に対して、共振周波数２０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚを有する。センサーは、内蔵ＬＰＦ並びに受信コイル及び参照コイルの共振周波数を整合させることができる。

図１Ｂは、送信コイル（外側の環３０）、受信コイル３４（３４に示される膨出した車輪状の構造）、参照コイル（３６に示される外側の直径）、及びカプラー要素３２（３つの導電板を含み、この図においてはコイルアッセンブリーの前に配置されている）を含む装置例の簡略図である。カプラー要素の回転によって、送信コイルと受信コイルの膨出部との間の誘導結合が変更される。受信コイルは、カプラー要素がない場合に、様々な誘導電位の自己相殺によって信号を発生しないように構成することが好ましい。受信コイルは、隣接する膨出部に誘導される電位が反対となるように構成することができる。具体的な例において、受信コイルは、互いの誘導電位を相殺する傾向にあるように構成される、第１及び第２ループ構造を含む。ループ構造の各々は、内径の環状セグメントと互い違いの外径の環状セグメントを有し、図１Ｂに示される構造３４は、２つのループ構造の重なりに対応する。コイルの接続は、明確には示されていない。ここで、ＤＤ_iは、参照コイル（差動ダミー）の内径であり、ＤＥ_Oは、送信コイル（又は励磁コイル）の外径である。

図２は、統合アナログ構成の簡略ブロック図を示す。システムは、参照信号を提供する参照コイル４０（この場合、差動ダミーＤＤ）、受信機信号を提供する受信コイル４２、励磁信号により励磁される送信コイル（又は励磁機）４６、第１及び第２増幅器４６及び４８、第１及び第２マルチプレクサ５０及び５２、ローパスフィルタ５４及び５６、アナログ除算器５８、信号デジェネレイト増幅器（ｓｉｇｎａｌ ｄｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、レイル・ツー・レイル増幅器６０、及び電圧クランプ６２を含む。これらの構成要素は、コイルを除いて、ボックス７０に示されるように、アナログＡＳＩＣに含まれることができる。外部抵抗６４及び６６は、ゲイン及びクランプ点をそれぞれ調整するために使用され、出力信号が６８において得られる。出力信号は可動部品の位置と関連づけられ、信号処理装置は、部品位置センサー（ＰＰＳ）として動作する。具体的な用途は、自動車のペダル位置センサーである。

動作において、参照信号は、第１増幅器により増幅され、励磁信号が乗ぜられ、ローパスフィルタリングされる。受信コイルは、第２増幅器により増幅され、励磁信号が乗ぜられ、ローパスフィルタリングされる。除算器５８は、増幅され、乗ぜられ、フィルタリングされた信号を受け取り、レシオメトリック信号を与える。レシオメトリック信号は、レシオメトリック信号を供給電圧で乗ずる（任意の）デジェネレイト増幅器を通される。次いで、レシオメトリック信号は、増幅器６０を通過し、外部抵抗６４が所望のゲインのために調整される。次いで、レシオメトリック信号は、出力信号が上限プラトー値を超えないように、又は下限プラトー値を下回らないようにする電圧クランプ６２を通過する。プラトー値は、抵抗器対６６を使用して調整することができる。本実施例においては、ゲイン及びプラトー電圧の調整を容易に達成するために、アナログ回路がアナログＡＳＩＣ（７０）に含められ、抵抗器６４及び６６がＡＳＩＣの外部にある。信号デジェネレイト増幅器は任意であり、供給電圧を追跡するために含められた。これは、出力信号を供給電圧に従属させるが、必要に応じて供給電圧の追跡を可能とする。

ローパスフィルタと除算器との間に示された波形は、受信コイル及び参照コイルからのあり得る位置従属信号である。受信機信号は、通常適度に線形な部分を有する。クランプ点設定は、受信機信号の線形領域を挟むことが好ましい。参照信号は、実質的に位置と独立である。比率信号は、特性曲線（Ｃ曲線）と呼ばれることがある。

いくつかの適用について、供給電圧変動と独立な出力が必要とされ、信号デジェネレイト増幅器５９が使用される。信号デジェネレイト増幅器は、アナログ除算器、乗算機、アナログスイッチ、又は他の装置とすることができる。例えば、アナログ除算器からの信号を供給電圧で除することによって、供給電圧と独立な比率信号が得られる。

図３は、図２に関して上で説明された３つのコイル（４０、４２、４４）及び回路７０を含む代替構成を示す。本構成において、比率信号はアナログＡＳＩＣ７０からデジタル回路７２に渡されるが、これをデジタルＡＳＩＣとして実現することができる。デジタル回路７２は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）７４及びプロセッサ７６を含む。電子スロットルへの適用について、ＡＤＣは、アナログ回路においてゲイン調整が行われる場合には、８ビットしか必要でないものとすることができる。プロセッサ７６は、部品間（ｐａｒｔ ｔｏ ｐａｒｔ）の変動の除去及びＰＷＭ管理のために使用される。本実施例において、デジタル処理が電圧クランプに置き換わる。

図４Ａは、最小ロジックサポートを有する信号処理装置のブロック図を示す。アナログＡＳＩＣ（１００）は、図２に関して説明されたＡＳＩＣと同様のものであり、アナログ除算プロセスは、ここでは繰り返し詳細を説明しない。図２に関して議論されたように、アナログ除算器の出力は、比率信号を供給電圧で乗じて比率信号について供給電圧変動の影響を除去する信号デジェネレイト増幅器を通される。

本実施例において、比率信号は、アナログ・デジタル変換器１０２、スタティックＲＡＭ１０３及びマルチプレクサ１１０を含むロジックサポート回路１１２に供給される。電子スロットルへの適用について、ＡＤＣ（１０２）は、６ビットとすることができる。しかしながら、他の分解能を使用することができる。アナログ・デジタル変換器は、スタティックＲＡＭ（１０３）に記憶される電圧を受け取り、この記憶された電圧は、アナログ除算器の出力（比率信号）に加えられる。スタティックＲＡＭに記憶される下限プラトー電圧は、以下により詳細に説明されるように、較正プロセス中に引き出され（ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ）、出力を所望の形にする。電子スロットルの場合、後続の自動推進乗物の電子機器により要求される形に出力信号を調整するために、スタティックＲＡＭに記憶される下限プラトー電圧が使用される。調整前に公称のゼロ位置において測定される初期信号に対して、１バイトがスタティックＲＡＭ内に割り当てられることができる。

次いで、電圧シフト比率信号は、較正中調整される様々な抵抗器の対を使用して分圧器によって入力を調整せしめ、信号の上限及び下限プラトー値を確立するように動作するレイル・ツー・レイル増幅器１０４を通される。電圧クランプ１０６は、瞬時信号を上限及び下限プラトー値と比較し、信号が上限プラトー値を超える場合には、マルチプレクサ１１０に接続されたスイッチ１０８が、出力信号を記憶されたプラトー電圧に切り替える。同様に、センサー電圧が下限プラトーを下回った場合には、信号処理装置は、下限プラトー電圧を出力する。それ以外の場合には、出力信号は、比率信号と関係づけられる。

スタティックＲＡＭに記憶された電圧は、初期信号電圧を検出し、次いでそれをアナログ・デジタル変換器においてデジタル形式に変換することを含む較正プロセス中に引き出される。更に、上限及び下限プラトー電圧は、アナログ・デジタル変換器によりデジタル形式に変換され、スタティックＲＡＭに記憶される。次いで、下限プラトー値と初期信号電圧の差が比較され、アナログ電圧に変換される。このアナログ電圧は、レイル・ツー・レイル増幅器によりセンサー信号に加えられることができるように記憶される。

初期値及び下限プラトー検出回路は、信号処理電子機器の一部である必要はなく、初期化に使用される設置装置（ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）の一部とすることができる。同様に、外部アナログ・デジタル／デジタル・アナログ変換器は、設置装置の一部とし、乗物と共に移動しないものとすることができる。

図４Ｂは、最小ロジックサポートを有する信号処理装置の別のブロック図を示す。本構成において、ロジックサポート回路１１４は、比率信号を調整するためのツェナーアレイ、マルチプレクサ１１８及び較正用のシリアル・パラレル変換器（１２０）を含む。

シリアル・パラレル変換器を使用することにより、較正データが単一のピン（１２２）を通して入力されることができる。他のデータ記憶手法が、ツェナーアレイに代えて、仮想接地レベルの調整のために使用されることができる。別々のロジックサポート回路が、信号処理装置のアナログ回路（アナログＡＳＩＣのような）に関して使用されることができる。しかしながら、シリアル・パラレル変換器のようなロジック回路及びツェナーアレイは、単一のＡＳＩＣ内でアナログ回路と結合することができる。

図５は、位置の関数としての初期出力電圧（Ｉと名付けられた）及びシフトされた（調整された）出力電圧（Ｓと名付けられた）を示すグラフである。この例において、記憶された電圧の負荷のために、シフトされた信号は、初期出力信号よりも大きい。記憶された電圧が出力電圧を大きくし、出力電圧と下限プラトー値との交点が所望の位置となる。電子スロットルへの適用について、この交点は、わずかなペダルの移動後に発生することができる。アクセルペダルが押し下げられると、アイドルプラトーと呼ばれるわずかの量のペダル移動に対して、信号処理装置の出力は下限プラトー電圧にとどまり、次いで出力電圧は、出力が上限プラトー電圧に達するまで、ペダルの枢動角度に線形に増加する。次いで、出力電圧は、上限プラトー電圧にクランプされ、アナログ除算器より生成される比率信号にかかわらず、この値を超えることができない。

従って、記憶された一定電圧が信号に加えられて、所望の傾斜位置を得て、これが又、アイドルプラトー長を調整する。アイドル位置は、仮想接地レベル調整を使用する下限プラトー電圧の調整に対応して、調整することができる。例えば、仮想接地レベルは、約０−５Ｖの電圧出力範囲に対して、シャーシ接地から約２．５Ｖとすることができる。較正は、回路板上のＡＳＩＣ内の切替可能抵抗器を使用して達成されることができ、センサーの初期組立中に１度のみ行われる必要がある。

図６は、出力信号のシフト及びクランプのためのロジック回路のブロック図を示す。図は、ボックス１４０に示されるようなクランプ対の調整のための抵抗器対、アナログ除算器からの比率信号を受け取る第１及び第２比較器（１４２及び１４４）、ＡＤＣ及びスタティックＲＡＭ（図５に関して上で説明された）、切替回路１４６、並びに加算増幅器１４８（アナログ加算器）を示す。比較器の第２入力は、較正中に調整される可変抵抗器を有する抵抗器対を含む分圧器を含む。スタティックＲＡＭは、下限プラトーについて１バイト及び初期信号について１バイトを記憶する。これらの値が初期信号に加えられ、回路の出力信号が発生（ｄｅｖｅｌｏｐ）する。アナログ・デジタル変換器の参照電圧及び下限プラトー電圧は既知であり、前もってプログラムされる、すなわち回路に組み込まれることができる。初期信号値のみが、スタティックＲＡＭに割当られる必要がある。ロジックサポート回路１１４は、図４Ｂに関して議論されたように、ここに示されるロジックサポート回路１１２に代えて使用することができる。

較正プロセスの例は以下の通りである。アナログ除算器からの初期信号電圧が判定され、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用してデジタル形式に変換される。上限及び下限プラトー電圧が又、ＡＤＣによりデジタル形式に変換され、スタティックＲＡＭに記憶される。プロセッサを有する電子装置のようなロジックサポート回路を使用して、下限プラトー電圧と初期信号電圧の差を比較する（例えば、ペダルの動きがない状態に対して、又はカプラー要素が取り除かれて）。このデジタル値として算出される差電圧は、アナログ電圧に変換され、加算増幅器を使用して信号電圧に加えられる。

図６に関して、動作中に行われるロジックプロセスは以下の通りである。第１比較器（１４２）がオフで、第２比較器（１４４）がオンの場合には、出力電圧は、比率信号に追従する。すなわち初期信号電圧が出力として使用される。両方の比較器がオンの場合には、下限プラトー電圧が出力として取り出される。第１比較器がオンで、第２比較器がオフの場合には、上限プラトー電圧が出力として取り出される。他のロジックの場合は、エラーコードが発生するものとすることができる。自動車への適用において、エラーコードは、自動車がリンプホームモード（ｌｉｍｐ−ｈｏｍｅ ｍｏｄｅ）に入ることを引き起こすことができる。

図７は、ロジックサポートの別の構成を示す。システムは、コイル４０、４２及び４４、アナログＡＳＩＣ７０を含む（この図は、送信コイルのためのコルピッツ発振器を示し、その機能は、図２に関して上に十分に説明されている）。システムは更に、スタティックＲＡＭ１６４及びマルチプレクサ１６６を有するロジックサポート回路１６２、並びにアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１６０を含む。電子スロットルについて、本構成において、ＡＤＣは１０ビットの分解能を有することが好ましい。ロジックサポート回路を使用して、プラトー電圧、出力電圧を調整するための記憶された電圧、及びゲイン傾斜のパラメータの一又はそれ以上を決定することができる。ロジックサポートは、レジスタ及びバス・コントローラが必要でない点で、全ＣＰＵ構成を必要としない。本構成において、アナログＡＳＩＣにおいて、レイル・ツー・レイル増幅器６０及び電圧クランプ６２は使用されず、出力信号が１６８において得られる。

図８は、ロジックサポートを有する、更なる信号処理装置構成を示す。図は、コイルアッセンブリー１８０（参照コイル、受信コイル及び送信コイルを含む）、及び参照コイル１８４に対する位相感応整流器、受信コイルに対する位相感応整流器１８６、アナログ除算器１８８、アナログ乗算器１９０，発振器１９２、電圧クランプ１９４、仮想接地レベル調整器１９６、ロジック回路１９８、シリアル・パラレル変換器２００を含む信号処理装置１８２を示す。外部ＡＤＣ／ＤＡＣ２０４及び電圧レベル検出器２０５を含む外部装置２０２が、較正に使用される。初期値及び下限プラトー値が外部装置から得られ、ロジック回路１９８に記憶され、仮想接地レベル及び従って出力信号レベルを調整するために使用される。抵抗器２０８がトリムされ、クランプレベル及び上限プラトーレベルが設定される。出力信号が負荷２１０を介して印加される。

図９は、可変（ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ）電圧源を作るツェナースイッチを使用する仮想接地レベル調整の概略図である。回路は、２２０のようなツェナースイッチのアレイ（ツェナーアレイ）を含む。ツェナーザッピング（Ｚｅｎｅｒ ｚａｐｐｉｎｇ）を使用して最終増幅器２２２の電圧出力が制御され、この出力２２４が、調整可能仮想接地レベルとして使用される。ツェナーアレイはスタティックＲＡＭとして動作し、ツェナーアレイは、ロジックサポートにとり好ましいデータ記憶回路である。他のデータ記憶回路を使用することができる。較正データの記憶のためには、データの記憶は永久的であることが好ましい。本発明の実施形態は又、複数ターンセンサーに対して使用することができる。その複数ターンセンサーにおいては、ツェナーアレイが一度だけの較正データの記憶に有用であり、カウンタロジック又は標準的スタティックＲＡＭのような一時データ記憶装置が、例えば、回転数をモニタするために、中間記憶用に使用される。加算のような電圧調整は、オペアンプ回路のような標準的なアナログ回路を使用して達成することができる。

図１０は、本発明の実施例による電子モジュールの非常に簡略化された配置を示す。本実施例においてはプリント回路板である共通基板２４０は、その上に印刷される送信コイル、受信コイル及び参照コイルを有し、コイル体２４２を形成する。本発明による信号処理装置のような電子モジュール２４４は、外部トリマブル抵抗器（２４６）及びコルピッツ発振器（２５０）と共に、基板上に支持される。出力はコネクタ２４８により行われる。第２信号処理装置２５２は冗長化のために設けられ、両方の信号処理装置の出力が一致しない場合には、エラー状態が生じる。電子スロットルについて、乗物はリンプホームモードに入るか、又は低いアクセル設定が使用されることができる。

信号処理の更なる態様
出力電圧は、位置について完全に線形的に従属するものではないとすることができる。線形性の使用可能な範囲は、真の接地レベル（ｔｒｕｅ ｇｒｏｕｎｄ）に対して負の電圧とすることができる仮想接地レベル（ｖｉｒｔｕａｌ ｇｒｏｕｎｄ）を外挿して、定義することができる。比率信号は（受信機信号＋Ａ）／（参照信号＋Ｂ）の比として形成することができ、ここで、参照信号及び受信機信号は、例えば、それぞれ受信機及び参照信号の復調及びローパスフィルタリングすることによって得られた直流電圧を意味している。Ａ及びＢは、わずかに非線形となる応答範囲においても線形であると仮定することによる、仮想接地レベル補正を言う。使用可能な線形の範囲の幅は、位置の正確さの仕様によって決定することができる。補正項Ａ及びＢは非常に類似する傾向があり、同じ値をＡとＢの両方に対して使用することができる。

本発明の実施例において、出力ゲイン制御抵抗器、及び下限／上限プラトー規定抵抗器対を含むトリム抵抗器が設けられ、それらの抵抗器がトリムされて、誘導センサーに、所望の出力電圧範囲、例えば、カプラー要素の回転に応じて回転角度に実質的に線形に変化する電圧を与える。

信号処理は、変調及び復調ステップを含むことができる。変調ステップにおいて、カプラー要素の回転角度に関係づけられる信号が、励磁信号で乗ぜられ、復調は、変調された信号に対する位相感応整流器の使用を含む。位相感応回路の使用により、測定される角度の線形範囲を２倍にすることができる。更に、レシオメトリックセンシングは、出力信号が非常に少なく励磁電圧に従属するように、復調された信号が形成されることを意味する。

本発明の実施例は、共通モード因子が参照コイル及びレシオメトリックセンシングを使用して補償されることができるので、記憶装置に記憶される温度較正データを必要としない。

出力電圧の範囲は、上限及び下限プラトーにクランプすることができる。トリム抵抗器を使用して、所望の値にゲイン傾斜を調整するために、トリムを使用することができる。例えば炭素ストリップを焼き切る抵抗器のレーザトリミングを使用することができ、又は適用によっては又、伝統的な回転摺動子可変抵抗器を使用することができる。自動推進乗物の電子スロットル制御への適用において、このトリムステップは、工場での調整中に一度行われることができる。

位置センサーの他の適用例としては、電子スロットル制御、吸入管弁、ブレーキ制御、ステアリング、燃料タンクレベル読取り、及びギア選択シャフトがある。

可動部品の部品位置を判定する方法は、交流電流を使用して送信コイルを励磁し、受信コイルから、部品位置に感応する受信機信号を得て、部品位置と実質的に独立な参照信号を得て、受信機信号を参照信号でアナログ除算して比率信号を得て、電圧調整を比率信号に加えて出力信号を得て、上限及び下限プラトーレベル間に出力信号をクランプし、部品位置が出力信号から判定されることを含む。

本発明の実施例は又、複数ターンセンサーを含む。複数ターンセンサーは、例えば、互いに角度オフセットを有する複数極コイルを使用する複数の受信コイルを含むことができる。

例えば、異なる独立の位置範囲を有する、位相のずれた受信機信号を提供する２つの受信コイルを使用することができる。センサーは、信号処理のためのＡＳＩＣモジュールを有する電子機器モジュールを含むことができる。電子機器モジュールは、参照コイル、受信コイル及び交流電源による励磁において電磁界を発生する送信コイルのようなコイルを支持するプリント回路板を含むことができる。複数ターンセンシングのために、多数のターン（又は多数のいくつかの回転角度）に関して仮想接地レベルを調整することができる一方、センサーの回転履歴は論理スタックによって管理される。どの受信機信号を使用するかは、論理回路により判定される。予め決定される信号電圧に達すると、マルチプレクサを使用して複数の受信コイルの１つが選択される。複数ターンセンサーは、速度測定、距離測定等に使用することができる。

例えば、３極カプラー要素を使用して、単一の受信コイルの角度範囲は約４０度とすることができる。仮想接地レベルは、複数のこの角度範囲の数に従って設定することができる。センサーシステムの角度範囲は、３つの受信コイル及びセグメント管理を使用して、１２０度とすることができる。回転履歴は、例えば、リンクされたリストのデータ構造によるスタック動作を使用して、記憶装置に記憶することができる。仮想接地レベル調整器は、プラトー（ｐｌａｔｅｕ）電圧の調整に使用されるものと同様のものを使用することができる。

本発明の実施形態は、自動推進乗物への適用における枢動アクセルペダルのような可動部品の位置測定、及び乗物を制御するための部品の位置に直接比例する電気信号の生成のための非接触誘導センサーと共に使用するための単一の信号処理システム、より具体的には誘導センサーと共に動作するそのような単一の信号処理システムを含む。誘導センサーは、搬送信号を生成するための送信コイル、その位置測定が行われる部品に連結されたカプラー要素により変調された搬送信号を検出するための受信コイル、及びその搬送信号を受信するが、回転子と３つの巻線との間のギャップの変動、並びに電力供給変動のような他の共通モード信号について回転変調信号を修正するために使用することができる信号を生成するために、回転子の位置により影響を受けないように巻かれた参照コイルを含む、少なくとも３つの巻線を有することが好ましい。

本発明は、上述の例示的な実施例に限定されるものではない。実施例は、本発明の範囲に対する限定として意図されていない。ここで説明された方法、装置、構成等は、例示的なものであって、本発明の範囲に対する限定として意図されていない。本発明における変更及び他の用途が当業者に思い浮かぶであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。

信号処理装置の簡略ブロック図である。 コイルアッセンブリーの簡略概略図である。 アナログ信号処理装置のブロック図である。 アナログ除算器を有する信号処理装置のブロック図である。 アナログ除算器及びロジックサポートを有する信号処理装置のブロック図である多数の線形セグメントを構成する線形出力信号を示す。 スタティックＲＡＭからの記憶された電圧の加算による信号電圧のオフセットを示すグラフである。 所望の特性に一致させるために出力信号の電圧をシフトし、クランプするための回路の概略図である。 所望の特性に一致させるために出力信号の電圧をシフトし、クランプするための回路の概略図である。 ロジックサポートの他の較正を示す。 ロジックサポートの他の較正を示す。 ツェナースイッチを使用する仮想接地レベル調整の概略図である。 本発明の実施例による電子モジュールの非常に簡略化された配置である。

Claims (19)

1. 位置範囲にわたり可動部品の部品位置に関連づけられる出力信号を提供するための装置であって、
   励磁信号により励磁された時に電磁放射を生成する送信コイルと、
   前記送信コイルに近接して配置され、前記送信コイルと受信コイルとの間の誘導結合によって前記送信コイルが励磁された時に、前記部品位置に感応する受信機信号を生成する受信コイルと、
   前記送信コイルが励磁された時に前記送信コイルにより生成される電磁場によってその中に参照信号が生成され、前記部品位置と実質的に独立な前記参照信号を提供する参照コイルと、
   前記送信コイル、受信コイル及び前記参照コイルを支持する共通基板と、
   前記受信機信号及び前記参照信号を受信し、前記受信機信号及び前記参照信号から比率信号を生成するためのアナログ除算器を含む信号処理装置と、
   を含み、
   前記出力信号は、前記比率信号から得られるものであることを特徴とする装置。
2. 前記比率信号は、前記位置範囲にわたる部品位置に実質的に線形に従属することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記部品位置は回転角度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記部品位置に関連づけられるカプラー要素の位置を有し、前記送信コイルと前記受信コイルの各々との間の前記誘導結合が該カプラー要素の位置に感応するようになったカプラー要素を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記信号処理装置は、電圧クランプを更に含み、前記出力信号は、下限プラトー及び上限プラトー電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記プラトー電圧及びゲイン曲線は、トリマブル抵抗器により設定されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記信号処理装置は、電圧調整を記憶する長期記憶装置を更に含み、前記出力信号は、前記比率信号及び前記電圧調整から得られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記電圧調整は、較正プロセス中に前記長期記憶装置に入力されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記長期記憶装置は、ツェナーダイオードを含むスイッチアレイであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 位置範囲にわたり可動部品の部品位置に関連づけられる出力信号を提供するための装置であって、
    送信コイル、受信コイル及び参照コイルを含むコイルアッセンブリーと、
    前記部品位置に感応する受信機信号を提供する受信コイル及び前記送信コイルの励磁に基づく参照信号を提供する参照コイル、前記部品位置に実質的に感応しない参照信号を提供する参照コイルと、
    前記受信機信号及び前記参照信号を受け取り、前記受信機信号及び参照信号から比率信号を生成するためのアナログ除算器を含む信号処理装置と、
    を含み、
    前記信号処理装置は、前記部品位置に関係づけられる、前記比率信号から得られる出力信号を提供することを特徴とする装置。
11. 前記信号処理装置は、発振器を更に含み、前記受信機信号及び前記参照信号は、前記発振器による前記送信コイルの励磁によって得られることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記信号処理装置は、前記アナログ除算器からの出力を供給電圧信号で乗ずるための回路を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 前記信号処理装置は、仮想接地レベル調整器を更に含み、前記出力信号は、前記仮想接地レベル調整器により制御される電圧調整を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 前記電圧調整は、不揮発性記憶装置に記憶され、前記仮想接地レベル調整器は前記不揮発性記憶装置と通信することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記不揮発性記憶装置は、ツェナーアレイであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記受信コイル、前記参照コイル、前記送信コイル及び前記信号処理装置は、単一のプリント回路板上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
17. 可動部品の位置を判定する方法であって、
    送信コイルを交流電流を使用して励磁するステップと、
    受信コイルから、前記部品位置に感応する受信機信号を得るステップと、
    前記送信コイルが励磁された時に前記送信コイルにより生成される電磁場によって参照コイルに生成される、前記可動部品の位置と実質的に独立な参照信号を得るステップと、
    アナログ除算器回路において前記受信機信号を前記参照信号で除して比率信号を提供するステップと、
    電圧調整を前記比率信号に加えて出力信号を得るステップと、
    上限及び下限プラトーレベル間で前記出力信号をクランプするステップと、
    前記出力信号を使用して前記部品位置を判定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
18. 前記電圧調整が、アナログ加算器により前記比率回路に加えられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記電圧調整が、不揮発性記憶装置に記憶されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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